剪叉升降平臺(tái)設(shè)計(jì)與多體動(dòng)力學(xué)仿真分析

畢濤 呂淳 劉笠

摘? 要：該文針對(duì)變電站檢修工作環(huán)境設(shè)計(jì)一款液壓驅(qū)動(dòng)的剪叉升降平臺(tái)，該平臺(tái)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，工作平臺(tái)為U型結(jié)構(gòu)，可同時(shí)容納2人進(jìn)行檢修工作。為通過虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)該升降平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化，首先在SolidWorks中建立該升降平臺(tái)3D模型，并將其轉(zhuǎn)化為Parasolid文件導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn中，在RecurDyn中建立該升降平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真求解，通過后處理分析獲得液壓缸推力曲線、剪叉臂及其連接軸受力狀況，為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：剪叉液壓升降平臺(tái)；多體動(dòng)力學(xué)；RecurDyn；動(dòng)力學(xué)模型；仿真分析

中圖分類號(hào)：TH211.6? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）05-0061-04

Abstract： Aiming at the working environment of substation maintenance， this paper designs a hydraulically driven scissors lifting platform. The platform has a symmetrical structure and a U-shaped structure， thereby can accommodate 2 people to carry out maintenance work at the same time. In order to analyze and optimize the structure of the lifting platform through virtual prototyping technology， firstly， the 3D model of the lifting platform is established in SolidWorks， and then transformed into Parasolid file into the multi-body dynamics simulation software RecurDyn. The dynamic model of the lifting platform is established in RecurDyn， and the dynamic simulation solution is carried out. The thrust curve of the hydraulic cylinder， the force status of the scissors arm and its connecting shaft are obtained through post-processing analysis， which provides a reference for the subsequent structural optimization.

Keywords： scissors hydraulic lifting platform; multi-body dynamics; RecurDyn; dynamic model; simulation analysis

剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)作為垂直升降設(shè)備的佼佼者，主要由底盤、剪叉式升降機(jī)構(gòu)和工作平臺(tái)3大核心組件構(gòu)成。憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、操作便捷和安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且適合多人同時(shí)作業(yè)，在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。多數(shù)的剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)采用液壓缸作為其主要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在上升和下降過程中，液壓缸的主要職責(zé)是提供動(dòng)力，施工時(shí)則起到支撐作用。因此，計(jì)算液壓缸產(chǎn)生的推力不僅對(duì)液壓元件的選型產(chǎn)生影響，也關(guān)聯(lián)到剪叉臂和銷軸等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。目前，對(duì)剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)的研究主要集中在液壓缸的布局方式上，目標(biāo)是減小液壓缸最大推力，降低剪叉機(jī)構(gòu)所承受的壓力[1]。

隨著商用CAE軟件功能的不斷完善，以及計(jì)算機(jī)性能的提升，虛擬樣機(jī)技術(shù)在企業(yè)前期產(chǎn)品開發(fā)與迭代升級(jí)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，部分企業(yè)、高校和科研機(jī)構(gòu)開始采用CAE軟件對(duì)剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行仿真分析。乞英煥等[2]利用SolidEdge軟件建立對(duì)稱驅(qū)動(dòng)剪叉液壓升降平臺(tái)三維模型，并導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析液壓缸的推力和鉸鏈軸的受力。雷杰等[3]設(shè)計(jì)了用于飛行器維修的液壓升降平臺(tái)，通過ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真，分析鉸點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中的受力曲線。Song等[4]提出并設(shè)計(jì)了新型的剪叉式升降設(shè)備。這項(xiàng)新裝置在通過仿真模擬和實(shí)地驗(yàn)證后，充分證實(shí)了其卓越的穩(wěn)定性。Ronaghi等[5]共同構(gòu)建了一個(gè)動(dòng)態(tài)模型，以研究剪叉結(jié)構(gòu)的傾覆過程。在依照重心、路緣沖擊和坑洼試驗(yàn)的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后，證實(shí)了這一模型可以在改變剪叉式升降機(jī)靈活性的前提下，精確模擬出危險(xiǎn)場(chǎng)景。

本文針對(duì)變電站檢修工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了一款采用液壓驅(qū)動(dòng)的剪叉式升降平臺(tái)。該平臺(tái)設(shè)計(jì)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其工作平臺(tái)采用U型設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)容納2名檢修人員進(jìn)行工作。為分析該平臺(tái)結(jié)構(gòu)合理性與穩(wěn)定性，首先在SolidWorks軟件建立3D模型，然后導(dǎo)出中性文件到RecurDyn中，施加約束條件和驅(qū)動(dòng)對(duì)其進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真。

1? 剪叉升降平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)體建模

首先，根據(jù)變電站檢修工作需求，分析該剪叉升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)，見表1。隨后，在SolidWorks中進(jìn)行各零部件設(shè)計(jì)與建模，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 剪叉升降平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型建立

由于該剪叉式升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)零部件多，不便于在RecurDyn軟件中建立動(dòng)力學(xué)模型，而且零部件過多仿真計(jì)算量大，甚至無(wú)法進(jìn)行仿真分析。為此，需要對(duì)多三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，經(jīng)過機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將工作平臺(tái)簡(jiǎn)化為1個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，不考慮底盤移動(dòng)，將底盤簡(jiǎn)化為1個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，同時(shí)將液壓缸簡(jiǎn)化為2個(gè)構(gòu)件、剪叉臂連接軸簡(jiǎn)化為1個(gè)構(gòu)件。然后在RecurDyn中通過merge命定分別將其進(jìn)行合并，簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。然后對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行添加約束、驅(qū)動(dòng)與負(fù)載。由于該升降平臺(tái)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這里僅介紹半邊結(jié)構(gòu)所添加的約束類型。半邊結(jié)構(gòu)共添加3個(gè)移動(dòng)副、37個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，液壓缸移動(dòng)副上添加1個(gè)驅(qū)動(dòng)。為了模擬負(fù)載，在對(duì)稱工作平臺(tái)兩邊各放置1個(gè)長(zhǎng)方體負(fù)載，其質(zhì)量為115 kg，并將其與平臺(tái)通過固定副連接。半邊結(jié)構(gòu)添加的約束見表2。

在RecurDyn中最終建立的動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示，其中淺灰色圓柱代表轉(zhuǎn)動(dòng)副，淺灰色雙向箭頭代表移動(dòng)副，淺灰色堆疊長(zhǎng)方體代表固定副。

3? 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

在RecuDyn2023中選擇動(dòng)力學(xué)仿真方式，設(shè)置仿真時(shí)間為19 s，仿真步數(shù)為200步。首先，根據(jù)液壓缸型號(hào)和性能給2個(gè)液壓缸分別添加如圖3所示驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這里液壓缸活塞桿運(yùn)用規(guī)律使用STEP函數(shù)方式定義，具體表達(dá)式為STEP（time，1，0，2，20）+STEP（time，17，0，19，-20），仿真計(jì)算結(jié)束后通過后處理提取2個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)力如圖4所示，因?yàn)?個(gè)液壓缸帶來(lái)驅(qū)動(dòng)冗余，二者之間互相有干擾，2個(gè)驅(qū)動(dòng)交替施加驅(qū)動(dòng)力，只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)起作用，仿真結(jié)果不準(zhǔn)確。所以，接下來(lái)分析過程中，只在1個(gè)液壓缸活塞桿添加如圖3所示驅(qū)動(dòng)，仿真計(jì)算結(jié)束后通過后處理提取2個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)力如圖5所示。從圖5中可以看出，單液壓缸驅(qū)動(dòng)時(shí)所需要推力大約50 000 N左右，推力在運(yùn)行過程中有小幅度波動(dòng)，在前1秒處于靜平衡狀態(tài)時(shí)液壓缸受力與1～2 s間加速運(yùn)動(dòng)受力并無(wú)明顯差別，較小加速度都對(duì)液壓缸推力影響不大，主要承受負(fù)載與平臺(tái)的重力，減小液壓缸推力可以從平臺(tái)輕量化設(shè)計(jì)入手。除了液壓缸推力，剪叉臂及其連接軸的受力狀態(tài)對(duì)升降平臺(tái)可靠運(yùn)行也非常重要。通過多體動(dòng)力學(xué)仿真，可以很容易獲得剪叉臂各轉(zhuǎn)動(dòng)副的受力狀態(tài)，這里通過后處理分別提取工作平臺(tái)與外剪叉臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、液壓缸活塞桿與剪叉臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、底盤與外剪叉臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、第二層外剪叉臂中間連接軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副的受力和扭矩，各轉(zhuǎn)動(dòng)副的力和扭矩如圖6—圖9所示。從圖6—圖9可以看出，液壓缸活塞桿與剪叉臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副所受力最大，最大力達(dá)到52 000 N，底盤與外剪叉臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副所受扭矩最大，最大扭矩值達(dá)到18 000 Nm，最大受力和扭矩為后續(xù)強(qiáng)度校核提供了基礎(chǔ)。

4? 結(jié)論

本文針對(duì)變電站檢修工作環(huán)境設(shè)計(jì)了一款液壓驅(qū)動(dòng)的剪叉升降平臺(tái)，并在RecurDyn中建立該平臺(tái)多體動(dòng)力學(xué)模型，通過對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了液壓缸的推力變化曲線圖，施加單液壓缸驅(qū)動(dòng)時(shí)，液壓缸的推力約為50 000 N，則雙液壓缸驅(qū)動(dòng)時(shí)，每個(gè)液壓缸推力大概為25 000 N，液壓缸推力主要來(lái)自平臺(tái)和負(fù)載的重力，平臺(tái)的輕量化設(shè)計(jì)可減小液壓缸推力，是后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要關(guān)注點(diǎn)。同時(shí)提取工作平臺(tái)與外剪叉臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、液壓缸活塞桿與剪叉臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、底盤與外剪叉臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、第二層外剪叉臂中間連接軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副的受力和扭矩，液壓缸活塞桿與剪叉臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副所受力最大，最大力達(dá)到52 000 N，底盤與外剪叉臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副所受扭矩最大，最大扭矩值達(dá)到18 000 Nm，最大受力和扭矩為后續(xù)強(qiáng)度校核提供了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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